高峰
沈阳机床（集团）有限责任公司 辽宁沈阳 110142
摘要：数控机床误差引发的现象较为常见，需结合误差相关知识，严格执行数控机床误差检测技术。本文通过探讨数控机床的误差来源，简要分析相关性技术研究，如激光干涉仪技术、双球规范技术等，同时，结合数控机床发展现状，对技术应用加以展望，这为机床误差检测技术的创新和升级提供理论数据。
关键词：数控机床；误差检测；技术
生产制造工具在我国机械制造行业中发挥重要作用，而数控机床的加工精度，需要保持高度的精准性，这直接影响到生产产品的质量，特别是运行转速快、精度较强的生产环节，运行轨迹中，如果不加强技术防范，极易产生多种误差，直接造成负面影响，表明数控机床误差检测技术的重要性[1]。因此，对于操作人员来说，应能够熟知数控机床作业过程中可能出现的误差，及时排除故障，确保生产产品的数量和质量，这对于促进数控机床的正常运行具有重要意义。
1数控机床误差产生的原因
数控机床的误差，根据不同属性和特点，包括几何误差、间隙误差、热误差、摩擦误差和动态误差，而这些误差的产生原因，主要分为以下7个方面：
1.1机床的原始制造误差
机床的原始制造误差，是指由组成机床各部件工作表面的几何形状、表面质量的变化产生的影响，即为机床运动误差，这是数控机床中发生几何误差的常见因素。
1.2机床的控制系统误差
机床的控制系统无法，主要分为机床轴系的伺服误差和数控插补算法误差，其中，伺服误差又叫做轮廓跟随误差。
1.3几何或运动误差
该误差主要发生在机床的设计环节，多为设计人员未结合数控机床加工对象的属性和特点所导致，总是按照常规模型加以设计，忽视了加工对象的特殊性，无法保障高校快速的作业[2]。同时，操作人员在操控数控机床时，由于疏忽所致，未认真履行安置标准，造成机床设备在运行中加大误差产生几率。
1.4热变形误差
热变形误差现象比较常见，产生这种误差受到多种因素的影响，如主轴及钢丝温度影响、立柱位置转移等，误差会随着数控机床的结构变化而变化，既影响生产产品的质量，又降低作业效率。
1.5装夹误差
在安装环节中，数控机床夹具未严格执行相关安装标准，如果安装作业有所疏忽，或是零部件发生松动现象，这种部件脱离原始定位的问题，会导致误差问题加大。因此，应制定统一标准的夹具安装工序，全方位检查工件的松紧情况，避免因设备问题而引发装夹误差。
1.6切削力误差
切削力误差主要产生在数控机床的运行环节，在负载力加大的情况下，造成机床直接发生变形，同时，温度的高低也会对切削力产生影响，包括工件与加工对象之间，两者的不匹配都会出现误差。
2机床误差检测方法
结合在一次测量中所得出的误差项目，数控机床的误差检测主要有两种方法，第一种方法为单项误差分量检测，第二章种法为综合误差分量检测。
2.1机床误差检测
基础误差检测从一次测量可得误差的角度分析，主要具有两种监测方法，第一种是单向误差分量检测，第二种是综合误差分量检测。单向误差分量检测，借助于适宜的测量仪器，采取直接单项测量的方式，校正数控机床存在的几何误差，结合测量基准，单向检测技术主要具有三种，侧重于量规量尺、重力及激光，使用的测量仪器主要有金属平尺、千分表、水平仪、倾角仪、激光干涉仪及光学镜等。其中，最为常见的单向误差分量检测方法为激光干涉仪技术[3]。
2.2综合误差检测
自1980年代起，误差检测技术侧重于新型机床运动精度检测仪，如激光球杆法、四连杆机构法、双规球法、全周电容一圆球法、基准圆盘-双向微位移计测头法等。综合误差检测依托于数学辨识模型，使误差于数控机床中分离出来，同时，在其他测量仪器的辅助下，对数控机床多方位、多角度做到一次性误差跟进测量。综合误差检测除了构建模型之外，还借助于标准工件测量，该方法建立在圆形或球形工件基础上，提供误差测量的理论依据，在实际测量时，要对标准数值和测量结果进行两两比较，分析出现的运动误差情况，描绘各个部位之间产生的误差函数，对误差数据有整体把握。此外，该方法使用测量的误差范围较小，由于实用价值小，不纳入具体参考。
2.2标准工件法
标准工件法适用于标定的圆形或球形工件，在具体测量时经采取标准工件的实际坐标和标定值，测算出机床存在的运动误差向量，并根据不同位置，分析出测量数据拟合所得的误差函数。对于特征标准件而言，可结合测量数轴，形成一维、二维、三维的误差检测标准[4]。
3激光误差检测技术
3.1激光干涉仪技术
传统的激光干涉仪，在检测过程中，调整激光时具有一定的难度，再加上需要较长的测量时间，会使用大量的光学原件，花费大量的资金，存在一定的局限性。经过对传统测量单项误差的激光干涉技术作系统全面地分析，对原有的激光设备进行升级和创新，为降低误差研究提供数据支持。比如，激光多普勒位移测量仪器，与原有的激光干涉仪不同，该仪器能够在短时间内快速实现误差的检测，避免造成不必要的经济损失。
使用双频激光干涉仪，能够检测机床的定位误差，该仪器主要包括多个频率的圆偏振光，这些光源经向四周发射后，于两个正交方向产生分离。如果测量反射镜发生位置变化，此时的返回光会出现多普勒频移量，收集相关位移信息。如果测量的要求较高，需要结合环境变化和温度影响，特别是处在垂直坐标时，机床设备、温度都会产生显著变化，这位后续的测量工作带来诸多难题。为有效克服测量难关，可先创建等温条件，也就是说，使外在环境温度和机床设备温度两者均等[5]。因此，激光干涉仪作为一种先进仪器，有着较高的抗干扰能力，且测量精准性较佳，适用于对数控机床标定误差的测量，但值得注意的是，该仪器设备十分精贵，要求操作人员具有丰富的专业基础，再加上调整光路存在一定难度，测量一根轴通常需要3~4个小时，难以确保测量效率。
3.2双球规法技术
自1980年代起，双球规法技术得到发展，在双球规内部采取按照两个套管的方法，且套管符合位移设计，具有较强的伸缩性，同时，套管终端和末端位置分别装有2个钢球，这与磁力凹球吸座形成相互关系，并将吸座安置在机场各个方向和位置。在实际误差检测的过程中，在吸座的带动下，机床部件呈现出大致为“圆形”的运动轨迹，结合相关运行参数，把握精准精度，结合微位移及测量，检查结构部件中是否出现误差。在技术的不断革新下，双球规法得到发展，实现了双转台五轴加工，同时误差检测技术得以完善，可对误差采取科学预测的方式。因此，双球规法技术有着良好的发展前景，但该技术受到自身结构属性的影响，在一定程度上会降低部分部件的误差测量的精准度。
3.3平面正交光栅技术
在上世纪末期，平面正交光栅技术应运而生，该技术基本操作原理为在数控机床工作台上，放置1个平面光栅，直径大小为210~220mm[6]，此时在表面上会形成正交光栅纹路，这些纹路具有较高的精度，能够结合动态数据的运行，进行全程的误差校验。由于数控机床误差的产生集中在相关部件的运行阶段，需要从整体上把握平面光栅覆盖面积和范围，同时，可根据主轴的运行状况，对读数头、电路等加以测量。该技术相关性发展研究，最近成果研发于2010年，我国上海交通大学的科研团队实现了对三轴数控机床误差的精准检测。
3.4龙门镗铣床安装辅助工具
龙门镗铣床安装辅助工具，在数控机床实际操作于应用中发挥重要作用，主要呈现以下3个特点：（1）龙门镗铣床安装辅助工具操作简易，有着较强的通用性，能应用在多个型号的数控车床设备上。（2）作为辅助性工具，有着便于操作的调节性，可结合作业要求随时调节中心高度，并在调节中确保刀样板的平整性和可靠性。（3）该辅助工具能够精准定位，把握龙门镗铣床刀尖的高度，且通过精准定位，使安装工序从复杂刀简单，降低了安装龙门镗铣床的劳动强度，极大地提高了工作效率[7]。（4）龙门镗铣床安装辅助工具，能够在短时间内快速安装，与移动刀架的传统做法相比，仅需借助于几把刀，即可完成安装操作，省去了很多繁琐细节。
3.5 R-est方法
R-est方法装置适用于五轴数控机床转台的误差测量，该装置主要是由一个中心球和三个底座构成，中心球具有较高精度，按照在主轴上，工作台上加固底座，传感器探头与球面相互接触，在五轴机床运行过程中，会出现多轴联动的现象，此时在中心球的带动下，探头会相应地出现位移情况，可借助于传感器测量出运行数据，从而测算出空间误差。由于该装置精准性较高，在确保五轴机床正常运行的情况下，能够缩小圆轨迹和球轨迹两者之间的误差，减少测量时间。R-est装置不断升级，有关学者提出将“赶球法”理论应用到误差检测中，该方法时对传统方法的突破。近年来，国外专家对R-est方法进行更为深入的研究，既有效检测了机床的定位误差，又结合转轴的变形情况，使几何误差分量更具有辨识性。因此，R-est方法通过1次检测，就能迅速收集误差运行参数，且在后期的检测过程中，不需要进行额外的安装，有着较高的测量水平和自动化水平，但是该技术现未在我国普及，需要加大相关技术研究[8-9]。
4机床误差检测技术的未来发展趋势
数控机床误差检测技术的研发成为国内外科研机构的工作重点，多种误差检测技术具有一定优势和弊端，考虑刀平面正交光栅技术具有较强的灵活性，在实际的数控机床误差测量环节，可结合企业的作业需求，在短时间内迅速实施误差检测作业，对此未来主流趋势应将平面正交光栅技术的改进和创新作为重点。
现阶段，各个国家愈发重视对科学技术的研究，很多行业的技术水平呈现出跳跃式发展趋势，尤其是机械制造行业规模的加大，使得数控机床的持有量迅速提升。为保障数控机床的正常运行，较高的技术水平使得数控机床误差检测技术不断改进，对此应结合数控机床的精度要求，使得该项工作变为常态化。如今随着机械制造企业的建设与发展，人们对故障排查、误差参数补偿提出更高要求，在相关服务行业得到持续增加的趋势下，应重视数控机床误差测量技术的改进。
当前人们对产品的曲面、精度都更加规法具体，且提出诸多要求，在科学技术的推动下，数控机床误差检测技术，从原来传统的三轴机床，演变为多轴机床，从坐标测量的单一方式，发展为综合误差检测。结合现行的数控机床误差检测技术应用，双球规法适用于多轴机床，有着较高的优越性，应加强后续的技术创新性研究[10]。
结束语：数控机床的误差检测工作，直接影响到设备是否正常运行，对此应注重提升产品的精度和品质。由于数控机床在实际的运作中，会受到多种因素的影响，产生不同程度的误差，为最大化规避这些误差，应规范技术操作，及时分析误差因素。同时，应使技术发展推动误差检测技术的改进与升级，促进数控机床高效高质高量的运行。因此，数控机床的误差检测工作至关重要，要加大对相关技术的研发，这对于数控机床良好进行具有指导意义。
参考文献：
[1]方瑞,陈岳坪,谢梦敏,等.数控机床在线检测系统的定位误差补偿实验研究[J].机床与液压,2020,v.48;No.501(03):75-78.
[2]何建民,罗建新,钟文俊,等.数控机床误差来源分析与补偿方法[J].现代制造技术与装备,2020,No.279(02):138-139.
[3]刘焕牢,苏妙静,刘璨,等.数控机床切削力误差研究方法探讨[J].制造技术与机床,2020,23(8,):43.
[4]林云川,程志远.数控机床在线测量系统校准技术研究[J].计测技术,2020,17(4):9.
[5]李杰,陶文坚,陈鑫进,等.基于内置传感器的数控机床多轴联动精度检测方法[J].制造技术与机床,2020,14(8):11.
[6]赵荣中.数控机床机械局部故障智能检测方法仿真[J].计算机仿真,2020,v.37(05):151-154+239.
[7]况康,郭婕,马俊翰,等.数控机床基础部件几何精度实时监测技术研究[J].组合机床与自动化加工技术,2020,18(8):5-7.
[8]王梓伦,印晨,陈光胜.基于i5OS数控系统的三轴立式加工中心误差建模及补偿研究[J].建模与仿真,2020,9(4):7.
[9]赵亮、雷默涵、朱星星、王帅、凌正、杨军、梅雪松.高精度数控机床主轴系统热误差的控制方法[J].上海交通大学学报,2020,v.54;No.417(11):53-59.
[10]杨洪涛,顾嘉辉,江磊,等.基于DSP的数控机床在机测量系统测量误差实时建模预测[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2020,v.43;No.322(02):19-23.
作者简介：高峰（1982.11），男，汉，全日制工学学士，工程师，沈阳机床（集团）有限责任公司，精密加工与测试，110142。